数学建模第四套.docx

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. . 精选 精选 徐州工程学院个性化教育 数学建模(大作业)试卷 班级 学号 姓名 得分 1、某农场饲养的某种动物所能达到的最大年龄为 15 岁,将其分成三个年龄组: 第一组, 0~5 岁;第二组, 6~10 岁;第三组, 11~15 岁。动物从第二年龄组开始繁衍后代,经过长期统计,第二组和第三组的繁殖率分别为 4 和 3,第一年龄和第二年龄组的动物能顺利进入下一个年龄组的存活率分别为 1/2 和 1/4 。假设农场现有三个年龄段的动物各 100 头,问 15 年后农场三个年龄段的动物各有多少头? 解:由于年龄分为五岁一段,所以时间周期取 5 年。 i设 x(k) 表示第 k 个时间周期, 第i 组年龄阶段动物的数量。 因为某一时间周期第二年龄组和第三年龄组的动物数量是由上一周期上一年龄组存活下来的动物的数 i 量决定的,所以有 (k) 1 (k 1) (k) 1 (k 1) x2 x1 , x3 x2 2 2 又因为某一时间周期, 第一年龄组的动物数量是由上一时间周期各个年龄组出生的动物数量决定的,所以有 x(k) 4 x(k 1) 3x(k 1) 1 2 3 x(k) 4x(k 1) 3x(k 1) 1 2 3 由此得到递推关系式: x(k) 1 x(k 1) 2 1 2 x(k) 1 x(k 1) 3 2 4 x(k) 0 4 3  x(k 1) 1 1 用矩阵表示为: (k) 2 xx(k) 3 x x 1 0 0 2 0 1 0 4 (k 1) x2 x x(k 1) x 3 0 4 3 100 即 x(k) Lx (k 1) ,其中 L 1 0 0 , x(n) 2 100 0 1 0 4 100 则有 x(3)  Lx (2)  L Lx(1)  L L Lx (0) 1437.5 137.5 87.5 计算过程代码如下: x0=[100;100;100]; L=[0,4,3;1/2,0,0;0,1/4,0]; x1=L*x0; x2=L*x1; x3=L*x2 x3 =1.0e+03 * 1.4375 0.1375 0.0875 结果分析: 表 1 15 年后农场动物数量分布表2、深洞的估算: 表 1 15 年后农场动物数量分布表 2、深洞的估算: 假如你站在洞口且身上仅带着一只具有跑秒功能的计算器,你出于好奇 心想用扔下一块石头听回声的方法来估计洞的深度,假定你捡到一块质量是 1KG的 石头, 并准确的测定出听到回声的时间 T=5S,就下面给定情况,分析这一问题,给出相应的数学模型,并估计洞深。 不计空气阻力; 受空气阻力,并假定空气阻力与石块下落速度成正比,比例系数 k1=0.05 ; 受空气阻力,并假定空气阻力与石块下落速度的平方成正比,比例系数 k2=0.0025 。解: (1)根据题意建立动力学模型 根据动力学公式 h 1 gt 2 1 年龄段(岁) 0~5 6~10 11~15 数量(个) 1437 137 87 2 h vt2 其中 h 为洞深, g 为万有引力常量, t1 为下落时间, t2 为声音传播时间, v 为声速。 根据题意得 T t1 t2 5 1h 1 gt 2 1 所以得到模型 2 h vt2 T t1 t2 求解得 t1 4.684 t2 0.316 h 107.51 所以在( 1)的条件下,求出的洞深为 107.51m 根据动力学公式得到 ma mg k1v1 其中 v1 为下落的速度。 对上式进行定积分运算, 根据题意初始下落速度 v0 0 ,所以得到速 度与时间的关系式如下: v mg 1 1 k k1 te m 1 t 进而得到位移与时间的函数关系式,关系式为: k1 t 2 k k kh mg t m e m 1 m k k k 将上式与方程 2 1 1 1 h vt 2 联立,得到模型如下: 2k1 2 m 1h mg t m e t m m 1 k k k k k k 1 1 1 h vt2 t1 t2 5 代入数据后求解得 根据动力学公式得  h 100.43m 令 k2  k2 , A m  , B k2  2 gk2 ma mg k v 2 2 1,则可以得到速度与时间的函数关系式,关系式如下: 2 1 v1 A eBt1 3 Bt 进而得到位移与时间的函数关系式,关系式为: e 1 1 h At1 2 A eBt1 1 ln Bt B 2e 1 将上式与方程 vt 2 联立,得到模型如下: h At1 2 A eBt1 1 ln Bt B h vt2 2e 1 t1 t2 5 通过 Matlab 软件计算,求出 h 的值: solve(x=

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